第四章：物联网标识技术

4.1 物体标识方法
- 4.1.1 标识与标志
- 4.1.2 一维条形码
- 4.1.3 二维条形码
- 4.1.４ RFID技术
4.2 一维条形码的结构与识读原理
- 4.2.1 一维条形码的基本概念
- 4.2.2 一维条形码的结构
- 4.2.3 一维条形码的识读原理
- 4.2.4 商品条码
4.3 二维码 —— QR码
- 4.3.1 二维码组成与结构
- 4.3.2 QR码的识读原理
- 4.3.3 QR码的编码原理
4.4 RFID识别技术
- 4.4.1 自动识别技术
- 4.4.2 RFID技术
- 4.4.3 RFID系统组成原理
4.5 防冲突算法
- 4.5.1 RFID的标签识别协议
- 4.5.2 ALOHA防冲突算法
- 4.5.3 基于二进制树的防冲突算法
- 4.5.4 防冲突算法的性能分析
4.6 定位技术
- 4.6.1 卫星定位技术
- 4.6.2 蜂窝基站定位技术
- 4.6.3 无线室内定位技术

4.1 物体标识方法

4.1.1 标识与标志

标识与标志的含义为 “ ①表明特征的记号。②表明某种特征。”
古语云：“ 夫言非自然一定之物，五方殊俗，同事异号，趣举一名以为标识耳。”
由此可见，物品的标识古已有之。

标识技术（Identification Technology）是通过RFID、条形码等设备所感知到的目标外在特征信息来证实和判断目标本质的技术。
目标标识过程是将感知到的目标外在特征信息转换成属性信息的过程。
标识技术涵盖物体识别、位置识别和地理识别。对物理世界的识别是实现全面感知的基础。
标识是一种自动识别各种物联网物理和逻辑实体的方法。
标识技术是在计算机和信息技术基础上产生和发展起来的集编码、识别、数据采集、自动录入和快速处理等功能于一体的新兴信息技术。
标识技术是物流信息系统的关键节点和物流信息由手工处理到数字化、自动化的桥梁。

4.1.2 一维条形码

1、一维条形码的定义

一维条形码是由一组规则排列的条、空以及对应的字符组成的标记，“条”指对光线反射率较低的部分，“空”指对光线反射率较高的部分，这些条和空组成的数据表达一定的信息，并能够用特定的设备识读，转换成与计算机兼容的二进制和十进制信息。
一维条形码技术是在计算机应用和实践中产生并发展起来的广泛应用于商业、邮政、图书管理、仓储、工业生产过程控制、交通等领域的一种自动识别技术。
优点：输入速度快、准确度高、成本低、可靠性强。

2、一维条形码的发展历程

4.1.3 二维条形码

二维码，又称二维条码，它是用特定的几何图形按一定规律在平面（二维方向）上分布的黑白相间的图形，是所有信息数据的一把钥匙。
二维条码具有储存量大、保密性高、追踪性高、抗损性强、备援性大、成本便宜等特性，这些特性特别适用于表单、安全保密、追踪、证照、存货盘点、资料备援等方面。
① 表单应用:
公文表单、商业表单、进出口报单、舱单等资料之传送交换，减少人工重覆输入表单资料，避免人为错误，降低人力成本。
② 保密应用:
商业情报、经济情报、政治情报、军事情报、私人情报等机密资料之加密及传递。
③ 追踪应用:
公文自动追踪、生产线零件自动追踪、客户服务自动追踪、邮购运送自动追踪、维修记录自动追踪、危险物品自动追踪、後勤补给自动追踪、医疗体检自动追踪、生态研究自动追踪等。
④ 证照应用:
护照、身份证、挂号证、驾照、会员证、识别证、连锁店会员证等证照之资料登记及自动输入，发挥「随到随读」、「立即取用」的资讯管理效果。
⑤ 盘点应用:
物流中心、仓储中心、联勤中心之货品及固定资产之自动盘点，发挥「立即盘点、立即决策」的效果。
⑥ 备援应用:
文件表单的资料若不愿或不能以磁碟、光碟等电子媒体储存备援时，可利用二维条码来储存备援，携带方便，不怕折叠，保存时间长，又可影印传真，做更多备份。

4.1.４ RFID技术

RFID是射频识别技术（Radio Frequency Identification）的英文缩写,利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的。
它是上世纪90年代兴起的自动识别技术，首先在欧洲市场上得以使用，随后在世界范围内普及。
RFID较其它技术明显的优点是电子标签和阅读器无需接触便可完成识别。射频识别技术改变了条形码依靠 “有形” 的一维或二维几何图案来提供信息的方式，通过芯片来提供存储在其中的数量巨大的 “无形” 信息。

RFID技术的发展历程：

RFID系统的组成和工作原理：

射频识别系统优点：
非接触识别，能穿透雪、雾、冰、涂料、尘垢和条形码无法使用的恶劣环境阅读标签，并且阅读速度极快，大多数情况下不到100ms。
有源式射频识别系统的速写能力也是重要的优点。

4.2 一维条形码的结构与识读原理

4.2.1 一维条形码的基本概念

一维条形码是由一组按特定规则排列的条、空及其对应字符组成的表示一定信息的符号。
一维条形码是集条码理论、光电技术、计算机技术、通信技术、条码印制技术于一体的一种自动识别技术。它将宽度不等的多个黑条和空白，按照一定的编码规则排列，用以表达一组信息的图形标识符。
一维条码数据容量约为30个字符左右，只能包含字母和数字。
广泛用于商业、邮政、图书管理、仓储、工业生产过程控制、交通等领域。主要包括：
（1）商品条码：包括EAN码和UPC码等；
（2）物流条码：包括128码、ITF码、三九码、库德巴 (Codabar) 码等。
常见的条形码是由反射率相差很大的黑条（简称条）和白条（简称空）排列成的平行线图案。

一维条形码的基本概念：

1、条码（Bar Code）

将宽度不等的多个黑条和空白，按照一定的编码规则排列，用以表达一组信息的图形标识符。

2、码制

条形码的编码要求，数字系统的主要功能是处理信息。因此必须将信息表示成能够识别的电路，便于运算存储的形式。

3、条码字符集

某种码制所表示的全部字符的集合。

4、连续性与非连续性

连续性是指每个条码字符之间没有间隔。
非连续性是指每个条码字符之间存在间隔。

5、定长条码与非定长条码

定长条码是指仅能表示固定字符个数的条码。如：EAN-13条码
非定长条码是指能表示可变字符个数的条码。如：EAN-128条码。

6.双向可读性

即条形码在具体识读过程中，方向可以是不固定的。这是因为条形码结构中含有起始符，终止符等，所以对条码的正反方向并没有严格限制。

7.自校验性

条形码中含有校验位，这样在识读过程中，发生错误后可以进行重读。

4.2.2 一维条形码的结构

一个完整的条码的组成次序依次为：静区（前）、起始符、数据符、（中间分隔符，主要用于EAN码）、校验符、终止符、静区（后）。

构成条码的基本单位是模块，模块是指条码中最窄的条或空，模块的宽度通常以mm或mil（千分之一英寸）为单位。构成条码的一个条或空称为一个单元，一个单元包含的模块数是由编码方式决定的。
有些码制中，如EAN码，所有单元由一个或多个模块组成；而另一些码制，如39码中，所有单元只有两种宽度，即宽单元和窄单元，其中的窄单元即为一个模块。

4.2.3 一维条形码的识读原理

一维条形码的扫描和译码：

物体的颜色是由其反射光的类型决定的，反射光照射到条码扫描器内部的光电转换器上，光电转换器根据强弱不同的反射光信号，转换成相应的电信号。

1、光笔：

最原始的扫描方式，需要手动移动光笔，并且还要与条形码接触。

2、CCD：

以CCD作为光电转换器，LED作为发光光源的扫描器。在一定范围内，可以实现自动扫描，并且可以阅读各种材料、不平表面的条码，成本也较为低廉，但是与激光式相比，扫描距离较短。

3、激光

以激光作为发光源的扫描器，又可分为线型、全角度等几种。

4、影像

以光源拍照利用自带硬解码板解码，通常影像扫描可以同时扫描一维和二维条码，如Honey well 引擎。

5、线型

多用于手持式扫描器，范围远，准确度高。

6、全角度

多为工业级固定式扫描，自动化程度高，在各种方向上都可以自动读取条码及输出电平信号，结合传感器使用。

4.2.4 商品条码

1、商品编码

商品编码：指用一组阿拉伯数字标识商品的过程，这组数字称为商品代码。

商品编码原则：
（1）唯一性原则
对同一商品项目的商品必须分配相同的商品标识代码。基本特征相同的商品视为同一商品项目，基本特征不同的商品视为不同的商品项目。
商品的基本特征一旦确定，只要商品的一项基本特征发生变化，就必须分配一个不同的商品标识代码。
例如，某个服装企业将商标、品种、款型、面料、颜色作为服装的五个基本特征项，那么只要这五个基本特征项中的一项发生变化，就必须分配不同的商品标识代码来标识商品。
（2）无含义原则
商品标识代码中的每一位数字不表示任何与商品有关的特定信息。
厂商在编制商品项目代码时，最好使用无含义的流水号，即连续号。这样能够最大限度地利用商品项目代码的编码容量。
（3）稳定性（永久性）原则
商品标识代码一旦分配，商品的基本特征没有发生变化，就应保持不变。
当商品项目的基本特征发生了明显的、重大的变化，就必须分配一个新的商品标识代码。

2、商品条码 — UPC码

UPC码(Universal Product Code)是最早大规模应用的条码，其特性是一种长度固定、连续性的条码，主要在美国和加拿大使用，由于其应用范围广泛，故又被称万用条码。 UPC码仅可用来表示数字，故其字码集为数字0~9。
UPC码商品条码是用来表示UCC-12商品标识代码的条码符号，是由美国统一代码委员会（UCC）制定的一种条码码制。
每个字码皆由7个模组组合成，其逻辑值可用7个二进制数字表示。例如逻辑值0001101代表数字1，逻辑值0为空白，1为线条，故数字1的UPC-A码为粗空白(000)-粗线条(11)-细空白(0)-细线条(1)。从空白区开始共113个模组，每个模组长0.33mm，条码符号长度为37.29mm。

UPC — A码如何实现对这些数字的编码呢？

3、商品条码 — EAN码
EAN 是欧洲物品条码（ European ArticleNumber Bar Code）的英文缩写，是以消费资料为使用对象的国际统一商品代码。
只要用条形码阅读器扫描该条码，便可以了解该商品的名称、型号、规格、生产厂商、所属国家或地区等丰富信息。
EAN条码字符包括0~9共10个数字字符，但对应的每个数字字符有三种编码形式 — 左侧数据符奇排列、左侧数据符偶排列以及右侧数据符偶排列。这样十个数字将有30种编码，数据字符的编码图案也有30种。
EAN-13标准码共13位数。其中，国家代码占2-3位，厂商代码占4-6位，产品代码占3-5位，以及检查码占1位。EAN-13码的结构与编码方式如图所示。
前缀码由2～3位数字(X13X12或X13X12X11)组成，是EAN分配给国家(或地区)编码组织的代码。前缀码由EAN统一分配和管理。
前缀码并不代表产品的原产地，而只能说明分配和管理有关厂商识别代码的国家(或地区)编码组织。
厂商识别代码由4～6位数字组成，由中国物品编码中心负责分配和管理，编码中心有责任确保每个厂商识别代码在全球范围内的唯一性。
商品项目代码由3～5位数字组成，由厂商负责编制。
由于厂商识别代码是由中国物品编码中心统一分配、注册，因此，在使用同一厂商识别代码的前提下，厂商必须确保每个商品项目代码的唯一性。
在我国，EAN-13代码分三种结构，当X13X12X11为690、691时，采用结构一；为692、693时，采用结构二，其余为结构三。

EAN-13码是按照 “模块组合法” 进行编码的。
（1）左侧空白区：位于条码符号最左侧与空反射率相同区域，其最小宽度为11个模块宽。
（2）起始符：位于条码符号左侧空白区右侧，表示信息开始的特殊符号，由3个模块组成。
（3）左侧数据符：位于起始符右侧，表示6位数字信息一组条码字符，由42个模块组成。
（4）中间分隔符：位于左侧数据符的右侧，是平分条码字符的特殊符号，由5个模块组成。
（5）右侧数据符：位于中间分隔符右侧，表示5位数字信息的一组条码字符，由35个模块组成。
（6）校验符：位于右侧数据符的右侧，表示校验码的条码字符，由7个模块组成。
（7）终止符：位于条码符号校验符的右侧，表示信息结束的特殊符号，由3个模块组成。
（8）右侧空白区：位于条码符号最右侧的与空的反射率相同的区域，其最小宽度为7个模块宽。

EAN码字符集：

左侧码编码方式：

EAN码校验位的计算方法：

所有偶数位代码求和，并将结果乘以3，记为a；
从代码位置序号3开始，所有奇数位的数字代码求和为b；
将a和b相加为c，取c的个位数d;
用10减去d即为校验位数值。

右侧码编码方式及校验码：

总结：

商品条码是实现商业现代化的基础，是商品进入超级市场、POS扫描商店的入场券。
一维码的不足：
① 数据容量较小；
② 条码尺寸相对较大，空间利用率较低；
③ 无法脱机使用，且条码遭到损坏后便不能正常阅读。

4.3 二维码 —— QR码

4.3.1 二维码组成与结构

更加有效识读的码型 —— 二维码。

1、二维码的基本概念

二维条码又称二维条码，它是用特定的几何图形按一定规律在平面（二维方向）上分布黑白相间的图形，是所有信息数据的一把钥匙。

2、二维码的特点：

二维条码是用某种特定的几何图形按一定规律相应元素位置上用“点”表示二进制“1”, 用“空”表示二进制“0”，由“点”和“空”的排列组成的代码。
在这里插入图片描述

3、二维码与一维码比较：
4、二维码的优点：

（1）可靠性强
二维码的读取准确率远远超过人工记录，平均每15000个字符才会出现一个错误。
（2）效率高
二维码的读取速度很快，每秒可读取40个字符。
（3）成本低
与其它自动化识别技术相比较，二维码技术仅仅需要一小张贴纸和相对构造简单的光学扫描仪，成本相对低廉。
（4）易于制作
条形码制作：条形码的编写很简单，制作也仅仅需要印刷。
（5）灵活实用
条形码符号可以手工键盘输入，也可以和有关设备组成识别系统实现自动化识别，还可和其他控制设备联系起来实现整个系统的自动化管理。
（6）高密度
二维条码通过利用垂直方向的堆积来提高条码的信息密度，而且采用高密度图形表示，因此不需事先建立数据库，真正实现了用条码对信息的直接描述。
（7）纠错功能
二维条形码不仅能防止错误，而且能纠正错误，即使条形码部分损坏，也能将正确的信息还原出来。

5、二维码的分类：

例如：PDF417码
PDF417码是一种高密度、高信息含量的便携式数据文件，主要用于交通，身份证和库存管理中。
PDF（portable data file）格式代表便携式数据文件，417意味着代码中的每个符号字符由4个“条”和4个“空”共17个模块构成。PDF417符号是由ISO标准15438表示，发明人为留美华人王寅敬。
每一个PDF417符号由空白区包围的一序列层组成。每一层包括：a.左空白区；b.起始符；c.左层指示符号字符；d.1到30个数据符号字符；e.右层指示符号字符f.终止符；g.右空白区。

4.3.2 QR码的识读原理

1、QR码的基本概念：

QR码是由日本电装（Denso）公司于1994年9月研制的一种矩阵二维码符号，QR码除具有一维条码及其它二维条码所具有的信息容量大、可靠性高、可表示汉字及图象多种文字信息、保密防伪性强等优点。
普通的一维条码只能在横向位置表示大约20位的字母或数字信息，无纠错功能，使用时候需要后台数据库的支持，而QR码二维条码是横向纵向都存有信息，可以放入字母、数字、汉字、照片、指纹等大量信息，相当一个可移动的数据库。
QR码比其他二维码相比，具有识读速度快、数据密度大、占用空间小的优势。QR码的三个角上有三个寻象图形，使用CCD识读设备来探测码的位置、大小、倾斜角度、并加以解码，实现360度高速识读。
每秒可以识读30个含有100个字符QR码。QR码容量密度大，可以放入2108个汉字、7089个数字、4296个英文字母。QR码用数据压缩方式表示汉字，仅用13bit即可表示一个汉字，比其他二维条码表示汉字的效率提高了20%。
QR具有4个等级的纠错功能，即使破损或破损也能够正确识读。QR码抗弯曲的性能强，即使将QR码贴在弯曲的物品上也能够快速识读。

2、QR码的特点：

① QR码容量密度大；
② 360度高速识读；
③ 具有4个等级的纠错功能；
④ 抗弯曲的性能强。

3、QR码的结构：

如图所示，每个QR码符号由名义上的正方形模块构成，组成一个正方形阵列，它由编码区域和包括寻象图形、分隔符、定位图形和校正图形在内的功能图形组成。功能图形不能用于数据编码。符号的四周由空白区包围。

（1）寻象图形
寻象图形包括三个相同的位置探测图形，分别位于符号的左上角、右上角和左下角。每个位置探测图形可以看作是由3个重叠的同心的正方形组成，它们分别为7x7个深色色模块、5x5个浅模块和3x3个深色模块。如下图所示，位置探测图形的模块宽度比为1：1：3：1：1。符号中其他地方遇到类似图形的可能性极小，因此可以在视场中迅速地识别可能的QR码符号。识别组成的寻象图形的三个位置探测图形，可以明确地确定视场中符号的位置和方向。
（2）分隔符
在每个位置探测图形和编码区域之间有宽度为1个模块的分隔符，它全部由浅色模块组成。
（3）定位图形
水平和垂直定位图形分别为一个模块宽的一行和一列，由深色浅色模块交替组成，其开始和结尾都是深色模块。水平定位图形位于上部的两个位置探测图形之间，符号的第7行。垂直定位图形位于左侧的两个位置探测图形之间，符号的第7列。它们的作用是确定符号的密度和版本，提供决定模块坐标的基准位置。
（4）校正图形
每个校正图形可看作是3个重叠的同心正方形，由5×5个的深色模块，3×3个的浅色模块以及位于中心的一个深色模块组成。校正图形的数量视符号的版本号而定，在模式2的符号中，版本2以上（含版本2）的符号均有校正图形。
（5）编码区域
编码区域包括表示数据码字、纠错码字、版本信息和格式信息的符号字符。
（6）空白区
空白区为环绕在符号四周的4个模块宽的区域，其反射率应与浅色模块相同。
（7）格式信息
表示该二维码的纠错级别和掩模图案，分为 L、M、Q、H级；
L级；约可以纠错7%的数据码字；
M级；约可以纠错15%的数据码字；
Q级；约可以纠错25%的数据码字；
H级；约可以纠错30%的数据码字。
（8）版本信息
QR码符号共有40种规格的矩阵（一般为黑白色），从21×21（版本1）到177×177（版本40），每一版本符号比前一版本每边增加4个模块。版本7以上才会有版本信息，版本1~6的版本信息可以通过定位图形获得。

4.3.3 QR码的编码原理

第一步数据分析

分析所输入的数据流，确定要进行编码的字符类型。QR码支持扩充解释，可以对与缺省的字符集不同的数据进行编码。

第二步数据编码

将数据字符转换为位流。在当需要进行模式转换时，在新的模式段开始前加入模式指示符进行模式转换。在数据序列后面加入终止符。将产生的位流分为每8位一个码字。必要时加入填充字符以填满按照版本要求的数据码字数。

第三步纠错编码

按需要将码字序列分块，以便按块生成相应的纠错码字，并将其加入到相应的数据码字序列的后面。

第四步构造最终信息

在每一块中置入数据和纠错码字，必要时加剩余位。

第五步在矩阵中布置模块

将寻象图形、分隔符、定位图形、校正图形与码字模块一起放入矩阵。

第六步掩模

依次将掩模图形用于符号的编码区域。评价结果，并选择其中使深色浅色模块比率最优且使不希望出现的图形最少化的结果。

第七步格式和版本信息

生成格式和版本信息（如果用到时），形成符号。

实例讲解：数据分析和数据编码

当数据的原始数据流为数字模时，将输入的数据每三位分为一组，将每组数据转换为10位二进制数。如果所输入的数据的位数不是3的整数倍，所余的1位或2位数字应分别转换为4位或7位二进制数。

1、数字模

将输入的数据每三位分为一组，将每组数据转换为10位二进制数。如果所输入的数据的位数不是3的整数倍，所余的1位或2位数字应分别转换为4位或7位二进制数。将二进制数据连接起来并在前面加上模式指示符和字符计数指示符。数字模式中字符计数指示符如表3中定义的有10、12或14位。输入的数据字符的数量转换为10、12或14位二进制数后，放置在模式指示符之后，二进制数据序列之前。
例1 （符号版本1-H）
输入的数据： 01234567
（1）分为3位一组： 012 345 67
（2）将每组转换为二进制：
012→0000001100；345→0101011001；67 →1000011
（3）将二进制数连接为一个序列：0000001100 0101011001 1000011
（4）将字符计数指示符转换为二进制（版本1-H为10位）：
字符数为：8→0000001000
（5）加入模式指示符0001以及字符计数指示符的二进制数据：
0001 0000001000 0000001100 0101011001 1000011

2、字母数字模式

按照下表，每个输入的字符赋于一个数值V，它的值为0到44。
将输入的数据分为两个字符一组，用11位二进制表示。将前面字符的值乘以45与第二个字符的值相加，将所得的结果转换为11位二进制数。如果输入的数据的字符数不是2的整数倍，将最后一个字符编码为6位二进制数。将所得的二进制数据连接起来并在前面加上模式指示符和字符计数指示符，按表3的规定在字母数字模式中，字符计数指示符的长度为9、11或13位。将输入的字符数编码为9、11或13位二进制数，放在模式指示符之后，二进制数据序列之前。
例2（符号版本1-H）
输入的数据： AC-42
（1）根据表5查出字符的值： AC-41→（10，12，41，4，2）
（2）将结果分为2个一组：（10，12）（41，4）（2）
（3）将每组数据转换为11位二进制数：
（10，12）10 * 45+12→462→00111001110；（41，4）41*45+4→1849→11100111001；（2）→2→000010
（4）二进制数据顺次连接： 00111001110 11100111001 000010
（5）将字符计数指示符转换为二进制（版本1-H为9位）：输入的字符数 5→000000101
（6）在二进制数据前加上模式指示符0010和字符计数指示符：
0010 000000101 00111001110 11100111001 000010

3、纠错码的生成

QR码的纠错码可以纠正两种类型的错误，拒读错误和替代错误。
拒读错误是一个没扫描到或无法译码的符号字符；
替代错误是错误译码的符号字符。

符号字符数和数据容量

4、构造信息的最终码字序列
按如下步骤构造最终的码字序列（数据码字加上纠错码字，必要时加上剩余码字）。
（1）根据版本和纠错等级将数据码字序列分为n块。
（2）对每一块，计算相应块的纠错码字。
（3）依次将每一块的数据和纠错码字装配成最终的序列。
例如，版本5-H的符号由4个数据和纠错块组成，前两个块分别包括11个数据码字和22个纠错码字，第3、4个块分别包括12个数据码字和22个纠错码字。在此符号中，字符的布置如下，表中的每一行对应一个块的数据码字（表示为Dn）和相应块的纠错码字（表示为En）；符号中字符的布置可以通过由上向下逐列读表中的各列得到。

5、掩模的生成
为了QR码阅读的可靠性，最好均衡地安排深色与浅色模块，应按以下步骤进行掩模。
（1）掩模不用于功能图形
（2）用多个矩阵图形连续地对已知的编码区域的模块图形（格式信息和版本信息除外）进行XOR操作。
（3）对每个结果图形的不合要求的部分记分，以评估这些结果。
（4）选择得分最低的图形。
在依次用每一个掩模图形进行掩模操作之后，要通过对每一次如下情况的出现进行罚点记分，以便对每一个结果进行评估，分数越高，其结果越不可用。在下表中，N1 到N4为对不好的特征所罚分数的权重（N1=3，N2=3，N3=40，N4=10），i为紧邻的颜色相同模块数大于5的次数，k为符号深色模块所占比率离50%的差距，步长为5%。虽然掩模操作仅对编码区域进行，不包括格式信息，但评价是对整个符号进行的。

应选择掩模结果中罚分最低的掩模图形用于符号掩模。

6、二维码的应用

（1）信息获取：名片、地图、WIFI密码、资料；
（2）网站跳转：跳转到微博、手机网站；
（3）广告推送：用户扫码，直接浏览商家推送的广告；
（4）手机电商：用户扫码，手机直接购物下单；
（5）优惠促销：用户扫码，下载电子优惠券，抽奖；
（6）会员管理：用户手机上获取会员信息、VIP服务。

4.4 RFID识别技术

4.4.1 自动识别技术

自动识别技术
1、指纹识别技术
2、人脸识别技术
技术特点：
周围环境、头发饰品、年龄增长影响识别率。
识别速度快、不易被察觉。
3、语音识别技术
技术特点：
使用方便、用户接受程度高；
声音设备造价低廉、不涉及用户隐私；
缺少国际标准规范，推广存在一定障碍。
4、一维码识别技术
5、二维码识别技术
二维码技术利用在二维平面上黑白相间的图形来记录数据，这些几何图形通过一定规律分布来表述特定的信息。
定位点技术：二维码通常有三个定位点提供给读码机进行辨识，因为有这些定位点，所以二维码不管是从何种方向读取，都可以被辨识。
容错机制：在没有辨识到全部的二维码、或者条码有污损时，也可以正确地还原二维码上的信息。
存储容量较大。可达32KB。
信息密度高。可存储文字、声音、图片等信息。
纠错能力强。二维码在50%污损的情况下，仍然可以识别。
支持加密。具有多重防伪特性。
6、其他识别技术
总结：

4.4.2 RFID技术

1、技术内容：

RFID是一种非接触式的自动识别技术，它通过无线射频信号自动识别目标对象，并获得相关数据。整个识别过程无需人工干预。

2、工作原理：

阅读器通过广播方式连续向周围发送携带能量信号的基准信号，感应并累积了足够能量的标签，以反向散射的方式向阅读器发送携带自身ID的数据，阅读器对接收到的数据进行解码，并传给主机进行处理。

3、主要特点：

RFID的成本相比传感器节点低很多，并且不需要电池供电，可以长期稳定运行。

4、核心技术：

5、发展历程：

国外：
RFID技术在美国、欧洲、日本、韩国等国家和地区已经被广泛应用于工业化、智能交通、物流管理和零售业等领域。
国内：
2005年4月，国家科技部启动了863计划课题“无线射频关键技术研究与开发”。
我国RFID产业快速发展，但与先进国家相比仍有差距。
① RFID软件企业少
② RFID技术应用以中低频为主
③ RFID标准未全面落实
④ RFID技术安全稳定性能有待提升

6、发展趋势：

支持点对点通信：设计并实现创新的信道感知技术，使得RFID设备间能够在无源的情况下建立网络并实现点对点的通信，来支持多种分布式的应用。
与传感器结合：集成现有的微型传感器设备，与多模态的传感器结合，基于反向散射技术提供更丰富的应用模式。

7、RFID与物联网：

在物联网环境中，RFID将“智能”嵌入到物理对象中，让再简单的物理对象也能够 “开口说活” 。
在物联网环境中，RFID以类似于互联网中计算节点的 “IP地址” 的方式，让物理对象能唯一地被识别。
在物联网环境中，RFID提供了一种低成本的通信方式来实现节点间的有效沟通。
在物联网环境中，RFID让物理对象在无源的环境下实现“被动智能”，为 “物-物相连” 提供根本保障。

4.4.3 RFID系统组成原理

1、阅读器的功能

阅读器作为连接应用层（中间件）和射频标签的桥梁，占据着十分重要的位置。一般来说，阅读器在RFID系统中可能提供的功能可以总结如下：
① 供能：阅读器为射频标签工作提供能量。
② 通信：阅读器和射频标签之间的通信，阅读器和应用层（中间件）之间的通信。
③ 安全保证：阅读器的通信安全性保证功能，如使用加密、解密技术。
④ 自组网能力、多天线管理、中间件接口、连接外设……

2、阅读器的分类

3、阅读器的组成

4、信号处理与控制模块

5、射频模块

射频模块主要功能：
产生高频发送能量，激活射频标签并为其提供能量（无源射频标签）
对发送信号进行调制，用于将数据传输给射频标签。
接受并解调来自射频标签的射频信号。

6、射频标签功能

射频标签的最主要功能就是能够存储一定量的数据，并以非接触的方式将存储的数据发送给阅读器。
一般来说，可以将标签的功能归纳为以下几点：
① 存储数据：标签内存储和物品相关的信息，如标识符、生产日期、生产厂家等。
② 能量获取：标签可以从阅读器发射的电磁场中吸收能量，为标签自生供电。
③ 非接触式读写：标签可以在距离阅读器一定距离的范围内被识别。
④ 安全加密、碰撞退让……

7、标签分类

（1）按封装形式
（2）按能量来源
（3）按工作频率
（4）按读写能力

8、标签组成

9、标签天线

天线是一种专门设计用来耦合、辐射电磁能量的导体结构。
通常标签天线尺寸越小，天线辐射阻抗越小，标签工作距离越短，工作效率越低。
天线性能包括方向特性、天线效率、天线增益等。
根据工作原理不同，可以将标签天线分为三类：
（1）线圈型天线
工艺简单、成本低，在低频、高频近距离RFID系统中被广泛使用。
利用电感耦合工作，类似变压器原理，阅读器天线相当于变压器初级线圈，标签天线作为次级线圈，在变化的磁场内产生电压。
通过并联的电容进行充电，为标签芯片提供能量。
（2）微带贴片型天线
这种天线是在带有导体接地板的介质基础上贴加导体薄片而形成的天线。
质量轻、体积小、成本低、易于大量生产。
适用于通信方向不变的场景。
（3）偶极子天线
由两端长度、粗细程度相同的直导线排成一条直线构成的天线。
适用于超高频标签。
典型的有：半波偶极子天线、双线折叠偶极子天线、三线折叠偶极子天线和双偶极子天线。
偶极子天线属于全向天线。

10、标签芯片

11、标签唤醒电路

12、标签制造

标签的制作工艺主要有：线圈绕制法、化学蚀刻法和印刷法。
制造过程分为：天线制造和芯片组装。

13、软件系统组成
RFID系统的软件组成是RFID系统的“灵魂”。
RFID系统的软件组件，包括应用软件、中间件和面向底层硬件的驱动接口等。

RFID系统组件原理：

4.5 防冲突算法

4.5.1 RFID的标签识别协议

与其他无线传输系统一样，RFID系统也存在信号干扰问题。
RFID系统中，主要存在以下两种类型的信号干扰：
因此，需要降低阅读器之间以及标签之间的冲突来提高对标签的识别效率。
针对阅读器之间的冲突问题，存在三种典型的防冲突协议：
与阅读器相比，标签受硬件资源限制，存储能力和计算能力很有限。这使得标签没有冲突检测功能，标签之间不能相互的通信，所有的冲突检测都需要借助于阅读器完成。从系统的复杂度以及成本方面考虑，TDMA可用于检测RFID标签之间的冲突。

4.5.2 ALOHA防冲突算法

基于ALOHA的防冲突算法采用了回退的机制，标签以概率的方法参与识别过程。
三种基于ALOHA的防冲突算法：
① 纯ALOHA算法；
② 时隙ALOHA算法；
③ 基于帧的时隙ALOHA算法。
基于ALOHA的协议的特点：简单且公平。

1、纯ALOHA算法

2、时隙ALOHA算法

3、基于帧的时隙ALOHA算法

在S-ALOHA基础上，将若干个时隙组织为一帧，阅读器按照帧为单元进行识别。

（1）FSA算法
FSA算法的优点在于逻辑简单，电路设计简单，所需内存少，且在帧内只随机发送一次能够更进一步降低了冲突的概率。
FSA成为RFID系统中最常用的一种基于ALOHA的防冲突算法。
实际应用中，标签数量往往是动态变化的。
动态自适应设置帧长度的算法可以解决FSA的局限性。
（2）Q算法
常见的帧长调整方法：
根据前一帧通信获取的空的时隙数目，发生碰撞的时隙数目和成功识别标签的时隙数目的数量估计当前的标签数并设置下一帧的最优的长度；
根据前一时隙的反馈动态调整帧长为2的整数倍，这种方法最具代表性的是EPCglobalGen2标准中设计的Q算法。

总结：
基于ALOHA的防冲突算法简单，并且兼顾了公平性。
但是，标签存在饿死的问题。当一个标签选择的时隙总是冲突时隙，则该标签可能永远无法被识别。

4.5.3 基于二进制树的防冲突算法

（1）随机二进制树算法

随机二进制树算法实例：

随机二进制树算法不存在标签饿死的问题，它通过不断地将产生冲突的标签集合划分为两个子集合，直到集合中只有一个标签存在时成功识别这个标签。

（2）查询二进制树算法

4.5.4 防冲突算法的性能分析

基于ALOHA的防冲突算法与基于二进制树的防冲突算法各有利弊。
同时，不同算法的性能也不同。
基于ALOHA的防冲突算法的优缺点
基于二进制树的防冲突算法的优缺点
三种典型防冲突算法的性能比较
基于ALOHA的防冲突算法与基于二进制树的防冲突算法各有利弊，需要根据不同的应用需求来选择不同的算法。

4.6 定位技术

为什么需要定位？

1、基于位置的服务：

① 自动导航
② 搜索周边服务信息
③ 基于位置的社交网络：Four square
位置信息和我们的生活息息相关。

2、位置信息不是单纯的“位置”：

① 地理位置（空间坐标）
② 处在该位置的时刻（时间坐标）
③ 处在该位置的对象（身份信息）

3、网络异构

接入物联网的设备五花八门
连接起来的网络各自不同
如何让不同的设备在不同的网络下准确定位

4、环境多变

室外 vs. 室内
空旷地带 vs. 障碍物众多
静止设备 vs. 频繁运动

5、大规模应用

物联网时代，接入网络的设备将超过500亿台
如何应对庞大的数量增长
如何让定位技术为简单设备（如RFID标签）所用

6、常见的定位技术

定位是通过特定的位置标识与测距技术来确定物体的空间物理位置信息（经纬度坐标）。
常用的定位方法一般分为两种：
一种是基于卫星导航的定位；
一种是基于参考点的基站定位。
基于卫星导航的定位方式主要是利用设备或终端上的GPS定位模块将自己的位置信号发送到定位后台来实现定位；
基站定位则是利用基站与通信设备之间无线通信和量测技术，计算两者间的距离，并最终确定通信设备位置信息。
基站定位不需要设备或终端具有GPS定位功能，但是其定位精度很大程度依赖于基站的分布及覆盖范围的大小，误差较大。
目前，蜂窝定位中的大部分方法都是采用基站定位实现的。

4.6.1 卫星定位技术

卫星定位导航系统是利用卫星来测量物体位置的系统。由于对科技水平要求较高且耗资巨大，所以世界上只有少数的几个国家能够自主研制卫星定位导航系统。
目前已投入运行的主要包括：
① 美国的全球定位系统（GPS），目前唯一覆盖全球的卫星定位导航系统。
② 俄罗斯的格洛纳斯系统（GLONASS），目前只覆盖俄罗斯境内。
③ 中国的北斗导航系统（COMPASS），目前只覆盖我国境内。

1、GPS系统的发展

20世纪70年代（1973），由于人们对连续实时三维导航的需求日渐增强，美国国防部开始研究和建立新一代空间卫星导航定位系统。主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务。
经过20余年的研究实验，耗资近300亿美元，到1994年3月，一个由24颗卫星组成，全球覆盖率达98%的卫星导航系统终于布设完成，该系统被称为GPS，是继阿波罗登月、航天飞机之后的第三大空间工程。
GPS （ Global Position System ，全球定位系统），全称是“Navigation Satellite Timing And Ranging / Global Position System，NAVSTAR/GPS”，其意为“导航卫星测时与测距/全球定位系统”。
该系统以卫星的无线电导航技术为基础，可实现授时和测距的空间交会定点的定位导航，为全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置、三维速度和时间等相关信息。

2、GPS系统的结构

GPS系统主要由空间部分、地面控制部分和用户接收设备三部分构成。

3、GPS定位原理
用户设备主要是指各种型号的GPS信号接收机，由GPS接收机天线、GPS接收机主机和天线组成。其主要任务是捕获按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。
GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。
而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到。
GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。
然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标x、y、z外，还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。
4颗卫星的运动方程：

4、GPS的应用
最初仅能提供位置和周边地图；
第二代汽车导航系统可根据目的地自动计算“最短”路线；
互联网时代，汽车导航可从交管部门取得路况咨询，优化路线，找出“最快”路线；
综合道路状况，污染指数，天气状况，加油站的分布，驾驶员的身体状况等各种因素找出“最佳”路线。

5、北斗导航系统

竞相发展的全球卫星导航系统

北斗导航系统

北斗卫星导航系统﹝BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System﹞是中国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统,缩写为BDS[1-2],与美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯、欧盟的伽利略系统兼容共用的全球卫星导航系统，并称全球四大卫星导航系统。
北斗卫星导航系统2012年12月27日起提供连续导航定位与授时服务。2018年12月27日，北斗系统服务范围
由区域扩展为全球，北斗系统正式迈入全球时代！
北斗导航系统结构：

北斗导航系统组成：

北斗导航系统功能：
短报文通信：北斗系统用户终端具有双向报文通信功能，用户可以一次传送40-60个汉字的短报文信息。
精密授时：北斗系统具有精密授时功能，可向用户提供20ns — 100ns时间同步精度。
定位精度：水平精度10米。
系统容纳的最大用户数：540000户/小时
北斗卫星导航试验系统已在多个领域发挥了非常重要的作用，包括：
测绘、通信、水利、减灾、海事、交通、勘探、森林防火等民用及军事方面！

总结：

卫星定位技术需要专门的客户端设备才能使用，不利于其在广泛人群中的普及；
应急服务等领域，用户往往迫切需要了解自己的地理位置。

4.6.2 蜂窝基站定位技术

1、基站定位技术概述

产生背景：美国通信委员会在1996年通过了增强911法案(在1999年再次修订)，这个法案要求手机运营商必须知道每一部手机的地理位置(误差在50至100米误差之内)。任何一部手机拨打美国紧急服务电话911，政府就要知道其位置，即使用户自身不知道身在哪里。这一法案，迫使电信运营商开始发展手机定位系统，基站定位技术应运而生。

移动通信蜂窝网络是目前覆盖范围最大的无线网络，基站定位一般应用于手机用户，手机基站定位服务又叫做移动位置服务（LBS——Location Based Service），它是通过电信移动运营商的网络（如GSM网）获取移动终端用户的位置信息（经纬度坐标），在电子地图平台的支持下，为用户提供相应服务的一种增值业务。
在基站定位中，被定位移动终端通常是普通终端(手机等) ，这在客观上要求多个基站设备通过附加装置测量从移动终端发出的电波信号参数，如传播时间、时间差、相位或入射角等，再通过合适的定位算法推算出移动终端的大致位置。
基站定位：移动设备在GSM网络中通信，是通过某一个蜂窝基站接入GSM网络，然后通过GSM网络进行数据（语音数据、文本数据、多媒体数据等）传输的。也就是说我们在GSM中通信时，总是需要和某一个蜂窝基站连接的，或者说是处于某一个蜂窝小区中的。那么GSM定位，就是借助这些蜂窝基站进行定位的。

2、基站定位技术原理

基站定位一般采用基于参考点的无线定位技术。
利用移动运营商的移动通信网络，通过手机与多个固定位置收发信机之间的传播信号的特征参数来计算出目标手机的几何位置，同时，结合地理信息系统（Geographic Information System，GIS），为移动用户提供位置查询等服务。
（1）COO定位
COO（蜂窝小区）定位是一种单基站定位，是通过手机当前连接的蜂窝基站的位置进行定位的。
该技术根据手机所处的小区ID号来确定用户的位置，手机所处的小区ID号是网络中已有的信息，手机在当前小区注册后，系统的数据库中就会将该手机与该小区ID号对应起来，根据小区基站的覆盖范围，确定手机的大致位置。
该方法的定位精度与小区基站的分布密度密切相关。在基站密度较高的区域，这种定位方式精度可以达到100-150米左右，在基站密度较低的区域（如农村、山区），精度降到1-2公里左右。
该方法的优点是定位时间短、对现有网络或手机不需要特殊要求就能够实现定位，缺点是定位精度取决于小区半径。
（2）TOA定位
（3）TDOA定位

（4）AGPS定位
A-GPS基本思想是通过在卫星信号接收效果较好的位置上设置若干参考GPS接收机，并利用AGPS服务器通过与终端的交互获得终端的粗位置，然后通过移动网络将该终端需要的星历和时钟等辅助数据发送给终端，由终端进行GPS定位测量。测量结束后，终端可自行计算位置结果或者将测量结果发回到AGPS服务器，服务器进行计算并将结果发回给终端。同时后台可获取位置信息为其它服务应用。收灵敏度等。
（5）AOA定位
（6）7号信令定位
该技术以信令监测为基础，能够对移动通信网中特定的信令过程，如漫游、切换以及与电路相关的信令过程进行过滤和分析，并将监测结果提供给业务中心，以实现对特定用户的个性化服务。该项技术通过对信令进行实时监测，可定位到一个小区，也可定位到地区。故适用对定位精确度要求不高的业务，如漫游用户问候服务，远程设计服务、平安报信和货物跟踪等。